船舶轴系试验台纵向耦合振动特性研究

船舶轴系试验台纵向耦合振动特性研究

李良伟，赵耀，张赣波

(华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉 430074)

摘要：船舶轴系试验台是开展轴系设计及振动特性分析的重要平台。运用振动测试与有限元法研究

船舶轴系试验台传动轴与基座的耦合下的纵向振动特性。通过宽频激励实测试验台传动轴上主要测

点纵向响应的传递函数并计算相应的特征频率与阻尼比；将轴系等效为单自由度系统估算推力块的

纵向刚度为有限元分析提供纵向刚度输入值。根据传动轴与试验台基座的结构形式，分析了艉轴密

封处不同耦合方式下的船舶轴系试验台轴系纵向振动响应特性。对比测试结果与数值分析结果，验

证推力块刚度估算方法的合理性，为分析船舶轴系纵向振动特性时对传动轴与基座之间的耦合处理

提供一定理论参考。

关键词：轴系试验台；纵向振动；刚度估算；耦合；有限单元法

中图分类号：U664.21 文献标识码：A

Research of Axial Coupling Vibration Characteristic of

Marine Shaft Test Bed

LI Liang-wei，ZHAO Yao，ZHANG Gan-bo

(School of Naval Architecture & Ocean Engineering,

Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430074, China)

Abstract：Marine shaft vibration test bed is the important equipment for designing the marine shaft and also estimating the axial vibration characteristic. Use the vibration testing technology and finite element methods, the axial vibration response characteristic are obtained when the transmission shaft coupled the foundation. With the broad-band excitation method, the axial acceleration frequency response functions of the main measuring points on the transmission shaft are calculated and also the characteristic frequency and damping ratio. Then, the axial stiffness of thrust shoes is derived when the shafting system is equivalent to a single degree of freedom based on the test result. Considering the coupling relation between transmission shaft and foundation, the dynamic characteristic of shaft test bed are solved with the finite element method under different couple. Compared with the test and numerical analysis results, the axial stiffness estimation method reasonability for shafting system is verified. Finally the conclusion present provides a reference to research the axial coupling vibration characteristic of marine shafting system. Keywords: marine shaft test bed; axial vibration; stiffness estimation; coupling; finite element method

1 引言

船舶轴系主要将推进器产生的推力传递给船体实现船舶的运动，因而轴系运转的可靠性和稳定性将直接影响船舶的正常航行。在轴系运转中因螺旋桨在不均匀流场中旋转引起的脉动载荷以及柴油机曲轴往复运动引起的周期载荷是导致轴系振动的主要原因。通过实船测试

作者简介：李良伟(1984?)，男，华中科技大学船舶与海洋工程学院，博士研究生。

分析轴系振动机理用于验证理论分析方法的可行性也是研究工作的重要组成部分。然而在船舶轴系设计过程中，为较为准确估计轴系振动特性，模拟轴系工作特性的船舶轴系振动试验平台的研制受到人们的关注，并且利用试验台开展理论模型、计算方法以及衡定标准等相关问题研究。

张天元等人较早开展了的轴系试验平台的研制工作[1]，根据实验室条件，研制的轴系振动试验台主要由柴油机与齿轮箱、电力测功器、支撑轴承以及螺旋桨与循环水箱等组成。该试验台能模拟轴系不同工况运行特性，可用于轴系校中和振动实测等。刘志刚等人利用该试验平台进行轴系横向振动模态试验研究[2]，王传溥等人同样利用该试验台分析轴系横向振动共振[3]，研究轴系在受迫振动下横向振动临界转速与轴系转速之间的关系。之后同样针对该试验台分析轴系横向振动的幅值与响应特性随螺旋桨激励力和动态轴承负载的关系[4]。部分学者为研究轴系纵向振动控制方法也进行了相关试验台研制工作。Lewis等人[5]为分析基于主动磁力控制轴系纵向振动的方法，以满足轴系纵向振动第一阶固有频率，设计轴系的等效纵向刚度和等效纵向质量并研制了小型的轴系纵向振动试验台。Pan等人[6]研制的小型轴系纵向振动试验台主要由螺旋桨、水箱、传动轴、推力轴承及基座组成。主要研究了螺旋桨的水动力特性和轴系纵向振动传递特性，运用振动理论求解振动响应并且与实测结果对比。

结合轴系传递推力的工作特点，轴系纵向振动受到人们的广泛关注[7]，并且较为严重的轴系纵向振动将直接导致传动轴的磨损、疲劳失效、设备振动以及船体结构振动。在研究轴系纵向振动中，根据轴系振动测试确定参与轴系纵向振动的主要构件以及理论参数识别时开展理论分析的前提。其中推力块作为传递轴系纵向加载的主要构件，其纵向刚度估计对分析轴系纵向振动特性较为重要；同时考虑到船舶轴系中传动轴与基座之间的安装形式，部分学者对纵向激励下的轴系?船体耦合响应特性展开研究[8-9]，然而针对传动轴与船体基座之间耦合处理方法的讨论较少。因而为较为合理准确的分析纵向激励下的轴系及船体的振动响应特性，有必要对传动轴与基座之间的耦合特性对纵向振动响应的影响展开分析。

本文基于振动测试分析与数值分析方法相结合研究已有的船舶轴系试验台传动轴与基座之间耦合作用下的纵向振动特性。采用宽频激励的方式实测该试验台传动轴上主要测点的纵向加速度频响函数计算特征频率及阻尼比。根据轴系纵向振动的一阶固有频率估算推力块的纵向刚度。将计算得到的纵向刚度作为有限元法计算轴系试验台纵向振动特性的参数输入。针对艉轴密封装置处基座与艉轴之间的结构形式，分析了传动轴与基座不同耦合方式下的轴系试验台纵向振动响应，为分析船舶轴系纵向振动特性时对传动轴与基座之间的耦合处理提供一定理论参考。

2 轴系试验台纵向振动特性测试

2.1 轴系试验台介绍

根据船舶轴系推进方式研制本轴系试验台，其主要的零部件包括：螺旋桨、艉轴、艉轴密封装置、凸缘联轴节、短轴、减速齿轮箱、冷却油箱、电动机和基座等。通过变频器控制电动机转速，同时利用减速齿轮箱使得轴系在特定转速下工作，该试验台的主要结构示意图如图1所示。

(a) 轴系试验台 (b) 减速齿轮箱 (c) 艉轴管 (d) 螺旋桨

图1 轴系试验台示意图 Fig.1 Diagram of the marine shaft vibration test bed

本轴系试验台主要模拟船舶在螺旋桨旋转下推动船舶航行工况。螺旋桨产生的轴向推力通过齿轮箱内部的推力块传递给船体基座。传动轴由艉轴和中间轴组成，轴系试验台基座由钢板焊接而成，为试验台提供支撑作用并考虑艉部型线。在轴系试验台艉部选用密封装置实现外部流场与轴系之间的密封，艉轴管内设置独立的前后轴承支撑、滑油箱及手摇泵，能模拟不同艉轴管内工作压强的密封工况。

2.2 测试布点及测试系统

本文利用单点激励多点采集的方法得到不同测点的纵向加速度传递函数，采用力锤在螺旋桨处施加纵向瞬态激励。为分析在低频范围内轴系试验台纵向振动的特性，根据不同锤头材料与激励频带的对应关系，选择橡胶作为锤头材料[10]。沿传动轴纵向布置有7个加速度传感器采集纵向响应信号，其中2、3、4、5号测点将短轴平均分成五份，6、7号测点将艉轴伸出部分平均分成三份，8号测点布置在联轴节上，各测点位置布置示意图如图2所示，各测点实际安装如图3所示。

图2 轴系试验台瞬态激励测试测点布置示意图 Fig.2 Schematic diagram of the measuring point arrangement under transient excitation

图3 轴系试验台瞬态激励测试测点安装图

Fig.3 Installation drawing of measuring point under transient excitation

该试验中使用的仪器包括力锤，压电式加速度传感器、电荷放大器、数据采集仪和用于存储及记录数据的计算机。主要仪器如图4(a)所示。该测试系统中主要仪器的连接方式如图4(b)所示。力锤信号经电荷放大器对轴系施加合适的宽频激励信号，各加速度传感器根据测试要求设定的采样频率、分析点数、采样方式以及加窗函数等测得对应的数字信号，最终通过数据采集分析仪完成各信号的分析并存储计算机上。

(a) 主要仪器示意图 (b) 测试系统仪器连接方式

图4 轴系试验台测试系统的主要使用仪器及连接方式 Fig.4 Main equipments and its connection of the test system

2.3 频响函数估计及振动参数识别

频响函数曲线能较好的描述振动系统在频域内的动态特性。为提高测试精度，通过平均处理的方式减小随机误差，同时对力信号和加速度信号增加窗函数减小偏度。通常在频域内的频响函数可以表述为： )()()(f F f X f H = (1) 式(1)中F(f)，X(f)分别为激励力和振动响应时域信号的傅里叶变换。

为较为准确的估计系统各测点的传递函数，在宽频激励下的频响函数在式(1)的基础上将测试信号进行平均运算，则频响函数的求解可表述为[11]：

)

(?)(?)(?f G f G f H FF XF = (2) 式(2)中，)(?f G XF 表示激励力信号与响应信号的互功率谱密度，)(?f G FF

表示激励力信号的自功率谱密度。定义采用时间为T ，时间间隔为h ，则)(?f G XF 和)(?f G FF

的可利用下式求解得到[12]：

)()(2)(?11

f F f X N h f G N i i i XF ∑?=?= (3) )()(2)(?11

f F f F N h f G N i i i FF ∑?=?= (4) 式(3)和式(4)中X i (f )表示响应信号在频域内第i 个离散点的响应。F i (f )表示激励力信号在频域内第i 个离散点的响应，F i *(f )为该激励力信号的共轭复数。本文通过加速度传感器测试各测点响应，为方便讨论，下文中统一定义X i (f )为加速度响应信号。

根据测点布置，在设定相关参数后得到各测点信号，基于传递函数的估算方法计算各测点的加速度频响函数，选择各频响函数的频率范围为0-200Hz 。各测点的频响函数曲线如图5所示。

(a) 测点2 (b) 测点3 (c) 测点4

(d) 测点5 (e) 测点6 (f) 测点7

(g) 测点8

图5 各测点加速度响应的频响函数

Fig.5 The acceleration frequency response functions of the measuring points

由图5可知，在分析频带内各测点在56Hz 和74Hz 附近均存在明显的共振峰。随着频率的增加，各测点的频响函数曲线差别较大，主要原因是力锤激励在高频范围内能量衰减而引起。由传动轴上各测点的频响函数曲线对应的特征频率，运用半功率点法求解特征频率对应的阻尼比，计算结果如表1所示：

表1 传动轴各测点加速度频响函数曲线对应的特征频率及阻尼比

Tab.1 The characteristic frequency and damping ratio of the

acceleration frequency response functions curves

第1阶

特征频率/Hz 阻尼比/%第2阶

特征频率/Hz 阻尼比/%

测点2 56.15 4.78 74.22 4.28

测点3 56.64 3.88 74.22 3.95

测点4 56.64 3.45 74.22 3.64

测点5 56.64 3.91 74.22 3.95

测点6 56.15 4.78 73.73 3.97

测点7 56.15 5.22 73.73 3.97

测点8 56.64 3.02 74.22 3.95

由表1可知，传动轴上7个测点的振动特性基本一致，各测点对应的相同阶次特征频率值相差0.5Hz 。结合图5，各测点加速度传递函数在相同阶次特征频率对应的幅值大小接近。

因而通过力锤对轴系宽频激励时，可初步得到轴系试验台纵向振动特性，同时在设计轴系临界转速时，需避开轴系纵向振动的共振转速以避免振动幅值放大对轴系正常工作的影响。

3 船舶轴系试验台推力块纵向刚度估算

因船舶轴系的推力块的结构复杂，故而通过理论方法估算结构的纵向刚度较为困难。然而合理的估算推力块纵向刚度对开展轴系纵向振动的理论分析较为重要，因此有必要对船舶轴系中推力块的纵向刚度估算方法开展讨论。将船舶轴系等效为单自由度系统分析其纵向振动特性是估算一阶固有频率的方法[13]。同理，根据振动测试得到轴系纵向振动一阶固有频率后便可根据经验公式计算轴系推力块的纵向刚度。单自由度系统固有频率的计算公式可表述为[7]：

∑

ω(5)

=m

K

1

eq

其中ω1为轴系纵向振动的一阶固有频率，Σm表示参与轴系纵向振动的零部件的总质量，Keq表示单自由度系统对应的等效纵向刚度，根据典型的轴系纵向振动一阶固有频率的估算方法，式(5)的等效刚度即可表示为船舶轴系推力块的纵向刚度。

根据表1中的船舶轴系试验台传动轴各测点前两阶特征频率值并结合式(5)，可计算得到两组推力块的等效纵向刚度值，分为记为Keq1和Keq2。计算得到的推力块的纵向刚度可以用于分析船舶轴系纵向振动理论特性，将理论计算响应结果与测试结果相对比，进一步修正纵向刚度估算结果的同时更为合理的分析船舶轴系纵向振动特性。

4 传动轴与基座不同耦合方式下的纵向振动响应

在艉轴管前后密封装置内有前后滑动轴承用于支撑系艉轴，同时前后密封装置与艉轴之间接触，艉轴管与基座采用焊接方式连接。因此传动轴与基座之间的耦合关系通过艉轴管传递振动响应。因此有必要根据现有艉轴安装方式讨论传动轴与基座之间的耦合关系，同时结合实测响应综合评价耦合关系的合理性。

在建立轴系纵向振动模型中，通常运用集总参数法、传递矩阵法以及有限单元法等[14]，为较为合理的讨论传动轴与基座之间不同耦合方式对轴系试验台纵向振动响应的影响，本文选择有限单元法，将估算得到的推力块的等效纵向刚度串联至传动轴与基座之间。根据现有轴系试验台传动轴与基座的实际结构尺寸建立有限元模型如图6所示。

图6 轴系试验台有限元模型示意图

Fig.6 Schematic diagram of finite element model of marine shaft test bed

根据实际艉轴密封装置的结构形式，艉轴密封装置在前后滑动轴承处对传动轴均存在轴系横向和垂向两个方向的约束，而对纵向的约束方式无法直接分析得到，因而本节将主要讨论艉轴与基座之间两种耦合形式：一种是将轴系的垂向、横向和纵向三个方向自由度耦合(记为CP3)，另外一种仅在轴系的垂向和横向两自由度耦合(记为CP2)。将基座与地面相接触的部分做简支固定。在螺旋桨结点处施加单位力进行谐响应分析，定义激励频率范围为0-200Hz，则计算得到的各节点在频域内的纵向加速响应即为在螺旋桨处激励下的加速度响应的传递函数。

选取轴系试验台不同位置处的纵向加速度响应特性，并比较不同推力块纵向刚度估算方法及不同耦合方式对轴系试验纵向响应特性的影响。

(1) 传动轴上纵向加速度响应特性对比分析

(a) CP2耦合方式(b) CP3耦合方式

图7 两种耦合方式下传动轴上纵向加速度响应特征曲线

Fig.7 The axial acceleration response curves on the transmission shaft under two coupling modes

(2) 基座横向面板纵向加速度响应特性对比分析

(a) CP2耦合方式(b) CP3耦合方式

图8 两种耦合方式下基座横向面板纵向加速度响应特征曲线

Fig.7 The axial acceleration response curves on the base transverse panel under two coupling modes

(3) 艉封面板纵向加速度响应特性对比分析

(a) CP2耦合方式(b) CP3耦合方式

图9 两种耦合方式下艉封面板加速度响应特征曲线

Fig.7 The axial acceleration response curves on the stern seal panel under two coupling modes 图7?图9分别表示在两种耦合方式下，选择两种等效纵向刚度计算得到的轴系试验台不同位置处的纵向加速度响应特性曲线，对比曲线特性可以得到如下结论：

(1) 由两自由度耦合方式(CP2)计算轴系试验台三处位置纵向加速度响应特性曲线可知，两种等效纵向等效刚度计算得到的响应特征频率分别为52Hz和65Hz。同时采用第2阶特征频率计算的等效纵向刚度用于计算轴系试验台纵向加速度响应幅值较大。

(2) 由三自由度耦合方式(CP3)计算轴系试验台三处位置纵向加速度响应特性曲线可知，两种等效纵向等效刚度计算得到的响应特征频率分别为61Hz和72Hz。与两自由度耦合响应特性对比可知，三自由度耦合计算得到的纵向加速度响应幅值明显高于基于两自由度耦合计算得到的响应幅值。可知增加纵向自由度耦合后基座构件参与轴系试验台的纵向振动的同时对各测点响应幅值有所贡献。

(3) 对比不同位置处的纵向加速度响应特征频率可知，传动轴上的共振峰较为单一，而艉封板上的共振峰较为丰富。在同种耦合方式下求得的轴系试验台三处位置纵向加速度响应曲线均含有相同的特征频率值，其中第1阶特征频率值的差别主要由于不同的等效纵向刚度引起。而对于高阶特征频率值，在相同耦合方式计算得到特征峰值一致。

(4) 基于公式(5)计算得到的轴系的等效纵向刚度，将两种耦合方式计算轴系试验台的响应与实测结果相比较，按照CP3耦合方式计算得到响应的一阶固有频率与测试结果接近。说明轴系艉轴管部分参与轴系纵向振动，力锤激励力不足以克服艉管密封装置的摩擦力。

5 结论

(1) 结合轴系试验台实测加速度传递函数曲线特性可知，测试得到传动轴上的传递函数包含轴系纵向振动特性的同时，叠加轴系试验台整体纵向振动特性。

(2) 对比实测响应与仿真分析结果可知，有限元分析得到的传动轴上的响应峰值较为单一，主要原因是在仿真计算中输入的等效纵向刚度为常数，而每阶特征频率对应的纵向刚度是随频率变化。

(3) 基于测试得到的74Hz的特征频率用于估算推力块的等效纵向刚度用于有限元分析轴系纵向振动响应，并且将传递轴和基座间在轴系的三个自由度方向上进行耦合处理时，轴系试验台的纵向加速度响应曲线的第1阶固有频率与实测结果接近。

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挠曲轴系横向振动计算及分析

万方数据

２０１０年１２月噪声与振动控制第６期 时可忽略阻尼的影响。忽略阻尼的单元动平衡方程如下： 瞰Ｈ甜）。＋区］Ｉ“｝。＝｛厂｝。 式中：［Ｍ卜质量矩阵； ｛瑟■单元节点加速度； ［Ｋ】乞单元的刚度矩阵； ｛扰■单元节点位移矩阵； ｛厂｝ｆ－等效节点力。 １．２梁单元ＢＥＡＭｌ８８的描述 ＢＥＡＭｌ８８假设与限带０： （１）梁长度不能为０。 （２）默认的翘曲约束效应假定为忽略。 （３）截面失效和折叠不计算。 （４）如果存在偏移的话，转动自由度在集中质量矩阵时不计算。 ２挠曲轴系有限元模型的计算 船舶推进轴系是一个结构复杂的弹性连续系统，为了便于计算，必须对实际轴系进行简化，而模型简化得是否合理，对计算结果具有很大的影响【７】。常规的推进轴系振动计算中，过去大多采用集总参数模型。对于轴系这样的复杂结构，运用有限元方法进行振动计算具有明显的优越性。本文应用ＡＮＳＹＳ有限元软件对其传动轴系进行振动计算，为进一步的设计提供参考。 针对本文的研究对象即某近海拖轮推进轴系，根据其实际结构，发动机输出法兰通过齿轮箱变速后，和中间轴连接；中间轴和艉轴之间有联轴节。中间轴长７．６ｍ，外径０．２６ｍ，有一个轴承支承；艉轴长１０．７５ｍ，外径０．２４８ｍ，前、中、后分别有三个轴承；中间轴和艉轴中都布置有润滑系统；螺旋桨总重２７３９ｋｇ。见图１，为此轴系经简化处理后的结构示意图。研究其横向振动的模型对轴系部件的简化方法如下： （１）将推力轴、中间轴及螺旋桨轴按自然分段为等截面均质轴段元件，对轴系本体部分采用ＢＥＡＭｌ８８梁单元模拟。 （２）对联轴节部分，将其同样简化为梁单元，其内径不变，只是将梁单元的外径适当放大，来模拟这部分的强度。 （３）对螺旋桨部分，将艉轴部分适当延长来模拟螺旋桨部分的长度，将螺旋桨的质量加上附水质量（变距桨按３０％的螺旋桨干质量计算）简化为集中质量，集中质量直接加在螺旋桨的几何中心位置。 （４）一般不考虑齿轮啮合刚度和油膜刚度。 （５）对弹性支承的轴承部分采用ＣＯＭＢＩＮＥｌ４ 簧单元模拟，略去其长度的影响。 （６）与主机相连的连轴节或离合器如系弹性连接算作弹性支座，如为刚性连接则作为固定端。 在轴系的有限元建模中，只保留从齿轮箱输出法兰到螺旋桨部分的轴系。经过以上简化处理，可以建立轴系的计算模型。如图２为其有限元计算模型。轴系共有节点９８个，ＢＥＡＭｌ８８梁单元７３个，采用了１１种不同的截面形状，ＣＯＭＢＩＮＥｌ４弹簧单元１２个，ＭＡＳＳ２１质量单元１个。 对其进行计算，从而求出固有频率，见表１。 图１轴系的简化模型 Ｆｉｇ．１Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｈａｆｔ 图２轴系的有限元模型 Ｆｉｇ．２Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｈａｆｔ 对已经建好的正常轴系的有限元模型进行静力分析，轴系的挠曲状态如图３。 图３静力分析后轴系的弯曲变化 Ｆｉｇ．３Ｂｅｎｄｉｎｇｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｈａｆｔａｆｔｅｒｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ根据此状态时节点的位移变化，利用同样的方法建立挠曲轴系有限元模型（由于本论文所研究的实船轴系较短，总长度是１５．２ｍ，当量直径是０．２４８ｍ，因此静力分析后轴系上各节点的位移变化比较小，即轴系的挠度也较小）。然后进行横向振动计算，求出固有频率值，见表１。 经过比较，发现挠曲轴系固有频率的大小比正常轴系的固有频率要小，而且随着振动阶数的上升 而明显减小。 万方数据

船舶轴系和螺旋桨

第八章船舶轴系和螺旋桨 【学习目标】 掌握船舶轴系的功用、基本组成、日常维护管理；掌握螺旋桨的基本组成和各部分名称；了解船舶轴系扭振及危害。 在船舶推进装置中，从齿轮箱（或主机）输出法兰到螺旋桨，其间以传动轴为主体的用于传递扭矩的装置称为轴系，螺旋桨通过轴系与齿轮箱（或主机）连接。 第一节轴系 一、轴系的功用 轴系的功用是将船舶柴油机输出的功率传递给螺旌桨，使螺旋桨旋转，以推进船舶航行。轴系是齿轮箱（或主机）和螺旋桨之间的连接和传动机构，将柴油机输出功率传递给螺旌桨，以克服螺旌桨在水中转动的所消耗的功率，同时，又将螺旋桨在水中旋转产生的轴向推力通过推力轴承传递给船体，以克服船舶航行的阻力。 二、轴系的基本组成 轴系包括传动轴（推力轴、中间轴、艉轴或螺旋桨轴）、轴承（推力轴承、中间轴承、艉轴承）、轴系附件（润滑、冷却、艉轴密封装置）等，如图8-1所示。轴系是由多支承的传动轴所构成。从机舱到船尾往往有一段距离，其传动轴往往较长，传动轴通常分为几段，并用联轴器将各轴段联接组合而成。每段轴又按其所承担的任务分为推力轴、中间轴、艉轴或螺旋桨轴等，这些轴段依靠相应的轴承支撑。传动轴的总长度、轴段数目及其附件的配置等，与船的大小、船型、船体线型、机舱位置、动力装置形式等因素有关。对于轴线不长的小型船舶，为了缩短轴系，也可只用一根螺旋桨轴直接将螺旋桨与齿轮箱的输出法兰相连。 图8-1 轴系

1、传动轴 传动轴包括推力轴、中间轴和艉轴。推力轴前端用法兰与齿轮箱（或主机）的输出法兰相连，后端的法兰则与中间轴法兰相连。推力轴和推力轴承是一对组合部件。中间轴用来连接推力轴和艉轴。 2、轴承 轴承包括推力轴承、中间轴承和艉轴轴承。推力轴承用于承受螺旋桨通过推力轴传递的推力，并通过它将推力传给船体。中间轴承用于承受中间轴的径向负荷和重量。艉轴轴承用于承受艉轴轴的径向负荷和重量。 3、轴系附件 轴系附件包括隔舱填料函、艉管、油封、润滑管路和冷却管路。隔舱填料函用于保持轴系穿过水密隔舱处的水密。艉轴管用来支撑艉轴承和艉轴。艉轴轴封装于尾轴管中，用于密封水和油。润滑系统用于提供并保证艉轴承中润滑油的供应。冷却管路给艉轴管、中间轴承、推力轴承供给冷却水。 三、轴系对中 轴系对中的目的是使轴系的实际中心线与理论中心线尽量保持一致，以保证船舶推进装置正常运行。 轴系理论中心线是船舶设计时所确定的轴系中心线。通常根据轴系理论中心线确定主机、轴系各传动轴和轴承的安装位置。因此，轴系理论中心线不仅是轴系和主机安装时的安装基准，也是船舶修理时的重要依据。 船舶轴系轴线的对中质量，对轴系和主机的正常运转以及船舶振动均有很大影响，特别是对轴径大、轴承间距小、刚性强的轴系影响更为显著。 若轴系对中质量差，可能造成危害。如运转时引起轴承的负荷急剧增加，导致轴承发热和迅速磨损甚至咬死；艉轴管密封装置迅速磨损产生泄露，引起润滑油泄漏造成污染事故；主机曲轴臂距差超过规定值，导致曲轴裂纹甚至断裂；破坏减速齿轮的正常啮合和支承轴的正常工作；引起船体振动，严重的甚至导致轴系断裂等严重机损辜故。 船舶轴系需要进行良好的对中。船舶经过一段时间营运后，由于各道轴承、轴颈运转中存在不同程度的磨损和船体变形或者发生海损事故等原因，轴系原对中状态会发生变化，因此，应定期检验、调整。 轴系的技术状态主要取决于轴系中心线的状态，而轴系中心线的状态是通过轴系中心线弯曲程度和艉轴与主机中心线同轴度来确定的。 四、轴系的日常维护管理 船舶轴系自重较大，运行工况不断变化，若管理维护不当，会造成轴系及其

轴系扭振

电信号扰动下的轴系扭振 摘要 本文用一种改进的Riccati扭转传递矩阵结合Newmark-β方法研究非线性轴系的扭转振动响应。首先，该系统被模化成一系列由弹簧和集中质量点组成的系统，从而建立一个由多段集中质量组成的模型。第二，通过这种新发展起来的程序可以从系统的固有频率和扭振响应中消除累计误差。这种增量矩阵法，联合结合了Newmark-β法改进的Riccati扭转传递矩阵法，进一步应用于解决非线性轴系扭转振动的动力学方程。最后，将一种汽轮发电机组作为一个阐述的例子，另外仿真分析已被应用于分析典型电网扰动下的轴系扭振瞬时响应，比如三相短路，两相短路和异步并置。实验结果验证了本方法的正确性并用于指导涡轮发电机轴的设计。 关键词：传递矩阵法；Newmark-β法；汽轮发电机轴；电学干扰；扭转振动 1.引言 转子动力学在很多工程领域起着很重要的作用，例如燃气轮机，蒸汽轮机，往复离心式压气机，机床主轴等。由于对高功率转子系统需求的持续增长，计算临界转速和动态响应对于系统设计，识别，诊断和控制变得必不可少。由于1970年和1971年发生于南加州Edison’sMohave电站的透平转子事故，业界的注意力集中在由传动行为导致的透平发电机组内的轴的扭转振动。当代的大型透平发电机组单元轴系系统是一种高速共轴回转体。它是由弹性联轴器连接，由透平转子，发电机和励磁机组成。电力系统故障或操作条件的变化引起的机电暂态过程可能导致轴的扭转振动，而轴的扭转振动对于设计来说是非常重要的。对于透平发电机轴系扭振的研究，如发生次同步谐振和高速重合，基本的是对固有频率和振动响应的计算的研究。 当前，有限元法和传递矩阵法是最流行的两种分析轴系扭振的方法。有限元法（FEM）通过二阶微分方程构造出转子系统直接用于控制设计和评估，而传递矩阵法 （TMM）解决频域内的动态问题。TMM使用了一种匹配过程，即从系统一侧的边界条 1

船舶轴系横向震动的产生和危害

船舶轴系横向（回转）振动的产生与危害船舶推进轴系在运转时，受到螺旋桨水动力、船体变形、润滑油膜等各种动态因素的影响，舰船推进轴系还可能会遭受到接触性爆炸、水下非接触性爆炸、自身武器发射时的反冲击债和的作用，将不可避免的产生振动。根据世界各国规范要求，对于船舶推进轴系，必须进行振动校核计算，并提供相应的计算报告，以实现控制振动源，减小振动；隔离振源、保护设备和人员；并通过轴系振动研究，明确轴系振动各阶级临界转速，就可以避免共振，减弱系统响应等目的。下面主要研究回转振动。 第二次世界大战后，一些商船，特别是美国“自由论”经常发生螺旋桨锥形大端龟裂折损，甚至出现螺旋桨落入海中的严重事故，由此引起人们的关注。希腊人Panagogulos.E首先在1950年指出了事故的主要原因是：在船艉不均匀伴流场中运转的螺旋桨上作用有按叶频周期变化的流体力，使螺旋桨轴系产生回旋（横向）振动共振。稍后，1952年，因国人Jasper.N.H在不同条件下也得出类似的结论。在Panagogulos和Jasper研究并提出计算螺旋桨回旋（横向）振动固有频率的简化公式之后，在海洋商船轴系设计中多使回旋振动转速远在运转转速范围以外，因而使回旋振动共振引起的螺旋桨事故答题消除，回旋（横向）振动似乎已经不成问题。随着船舶大型化的发展，在一些大功率船舶中，即使没有出现螺旋桨激振力增加，也可能使回旋振动响应大到不可忽略的程度。这时，Panagogulos和Jasper提出的简单公式已不足以解决复杂问题。基于一些研究，各船级社为保证轴系的安全运转，对回旋振动提出了明确要求。目前国内外用来计算推进轴系横向振动的主要方法有：传递矩阵法、有限元法以及一些简化的计算方法。如Panagopulos公式、Jasper公式、Rayleigh公式等。 对于船舶轴系的回旋振动，早期的定义是这样的：由于轴系旋转不平衡，以及推进器在不均匀尾流场中工作产生循环变化的问去力矩引起的周期性的弯曲变形的现象。轴系旋转件的不平衡会产生回旋振动，但是实际上即使轴系旋转件完全平衡，在其匀速旋转的过程中受到扰动之后，旋转依然会发生回旋振动。 推荐轴系由于主机不均匀传递力矩、安装上的不对中、材料的不均匀、加工的不精确，以及自身重量的不平衡，可以产生轴系的扭转振动和横向震动：螺旋桨在船艉不均匀流场中旋转，产生不均匀推理和交变弯曲力矩，构成船艉不发的扰动源，可以引起船体的总振动和局部振动。螺旋桨的激振力可以使船舶推进轴系产生扭转、横向、纵向以及这些振动形式的耦合。此处由于一些船舶中安装有大型齿轮箱，齿轮传动过程中不均匀的传动力矩、安装上的误差、加工的不精确、齿轮形位公差等都可以队推进轴系产生各种激励因素。

车辆动力传动系统弯扭耦合振动模型的建立及复模态分析(精)

第４６卷第２４期机械工程学报Ｖｂｌ．４６Ｎｏ．２４２０１０年１２月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＤｅｃ．２０ｌ０ＤｏＩ：１０．３９０１／ＪＭＥ．２０１０．２４．０６７ 车辆动力传动系统弯扭耦合振动模型的 建立及复模态分析水 刘辉项昌乐孙恬恬 （北京理工大学车辆传动国家重点实验室北京１０００８１） 摘要：以某履带车辆的多轴齿轮动力传动系统为研究对象，按照一定的简化原则建立多自由度的弯扭耦合振动力学模型，并针对弯扭耦合振动力学模型的特点，利用有限元理论与数学模型的相结合，在ＡＮＳＹＳ中建立考虑齿轮的啮合刚度和啮合阻尼，以及轴承的支承刚度和油膜阻尼的有限元模型，对有限元模型进行有阻尼的复模态计算，并对弯扭耦合振动特性进行分析。探讨耦合模态中的振动形式以及模态参与因子和有效质量，研究齿轮时变啮合刚度和啮合阻尼对多轴齿轮动力传动系统弯扭耦合振动模态的影响情况。对齿轮传动系统进行弯扭耦合振动台架试验，将试验数据与仿真计算结果进行对比，验证了有限元模型的正确性，为进一步的动力学分析奠定了基础。 关键词：动力传动系统齿轮时变啮合刚度模态参与因子有效质量 中图分类号：ＴＰｌ３７．３３２ＴＨｌ３３．４ ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＢｅｎｄｉｎｇ—ｔｏｒｓｉｏｎａｌＣｏｕｐｌｅｄＶｉｂｒａｔｉｏｎＭｏｄｅｌａｎｄＣｏｍｐｌｅｘ ＭｏｄａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＶｅｈｉｃｌｅＰｏｗｅｒｔｒａｉｎＬＩＵＨｕｉＸＩＡＮＧＣｈａｎｇｌｅＳＵＮＴｉａｎｔｉａｎ （ＴｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＶｅｈｉｃｌｅＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｕｌｔｉ—ａｘｌｅｇｅａｒｐｏｗｅｒｔｒａｉｎｏｆａｃｅｒｔａｉｎｔｒａｃｋｅｄｖｅｈｉｃｌｅ．Ｆｉｒｓｔｌｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｍｕｌｔｉ－ＤＯＦｂｅｎｄｉｎｇ－ｔｏｒｓｉｏｎｃｏｕｐｌｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏａｃｅｒｔａｉｎｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ａｎｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎＡＮＳＹＳｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇ—ｔｏｒｓｉｏｎｃｏｕｐｌｅｄｖｉｂｒａｔｉｏｎｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅ

汽轮机轴系振动试验方案

江苏华电句容发电有限公司 一期（2×1000MW）工程 汽轮机轴系振动试验方案 联合体：华电电力科学研究院 上海电力建设启动调整试验所 二○一二年一月

1设备及系统概述 1.1系统描述 略（此方案为原则性方案，中标后根据现场实际情况另行完善） 2试验目的及目标 2.1对汽机轴系进行调整和试运，考察系统与设备设计的合理性、安装质量的好坏，了解系统设 备的运行特性，以便该系统能够长期、安全、经济运行； 2.2完成项目质量验评表要求，各项指标优良率达到85%以上； 2.3监测汽轮发电机组的振动升降速特性，对机组出现的振动原因进行故障诊断，并通过相应的 振动处理措施，保证机组的振动达到安全运行的目的； 2.4检验机组对运行环境的适应能力。适当改变运行工况，测量机组振动特性； 2.5汽轮发电机组的轴系稳定，主机各轴承的垂直和水平方向振动达到部颁新投产机组的振动标 准，小于50μm，轴振小于76μm； 2.6保证系统试运过程中，重要环境因素控制得当； 2.7保证系统试运过程中设备和人员的安全，例如，确保联锁保护试验完整并合格，防止设备在 异常工况下试运，保证不发生设备和人员损伤事故。 3编制依据及参考资料 3.1《火电工程启动调试工作规定》（原电力工业部建设协调司1996）； 3.2《火力发电建设工程启动试运及验收规程》（国家发改委2009）； 3.3《火电机组达标投产考核标准》（2006年版）； 3.4《火电工程调整试运质量检验及评定标准》； 3.5《旋转机械转轴径向振动的测量和评定》GB/T11348.2-2007; 3.6设备厂家的运行维护说明书及设计图纸等； 4试验范围及相关项目 4.1汽机轴系系统各联锁、保护传动检查； 4.2机组的振动在线监测从机组整套启动试运开始，包括机组的冲转、升速、带负荷、超速、稳 定运行以及机组甩负荷期间的振动监测。 4.1测试机组升速过程中轴系振动情况。 4.2机组空负荷时，汽机排汽温度变化，机组轴系振动情况。 4.3机组半负荷时，汽机润滑油温度变化，机组轴系振动情况。 4.4机组满负荷时，机组轴系振动情况。 4.5机组超速试验升/降转速时的振动情况。

船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究

船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究 【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。 【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施 在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。 1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介 凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。 船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。更应该注意的是，当发动机运转在主临界速度时，自由端的传动齿轮箱往往容易发生齿击或噪声大的现象，这时检查时会发现齿轮有点蚀或剥落等磨损现象，严重时会有断齿事故。有时在强共振的情况下，轴系中的某些位置只要数分钟运行就能自行发热，稍有疏忽，就可能造成断轴断桨的海损事故。 2 船舶柴油机因扭振而引起的断轴断桨的事故及分析 （1）广西海运局北海分局所属沿海货轮400吨桂海461、462、463，三条

船舶轴系扭振计算步骤2006(精)

船舶轴系扭振计算 1 已知条件 轴系原始资料 2 当量系统 2.1惯量计算（或给定） 2.2 刚度计算（或给定） 2.3 当量系统转化，即将系统转化成惯量－刚度系统，并给出当量系统图以及相关参数（见表） 当量系统参数

3 固有频率计算（自由振动计算并画出振型图）Holzer表 4 共振转速计算

5强迫振动计算(动力放大系数法的计算步骤) 步骤1：激励计算

步骤2：计算第1惯性圆盘的平衡振幅步骤3：计算各部件的动力放大系数 步骤4：求总的放大系数 111111=++++ QQeQpQsQrQd 步骤5：计算第1质量的振幅 A＝Q×A1st 步骤6：轴段共振应力计算 τk,k+1=τ0?A1 步骤7：共振力矩计算步骤8：非共振计算 A1= ??n?1- n???c 步骤9：扭振许用应力计算（按CCS96规范）步骤10：作出扭振应力或振幅－转速曲线 能量法计算步骤：

步骤1 相对振幅矢量和的计算（如为一般轴系，可省略） A1st? ??? 2 ?1?n?+2 Q ??nc ? 2 ???? 2 步骤2 激励力矩计算Mv（若为柴油机轴系，方法同动力放大系数法步骤1；若为一般轴系，则已知条件给定）步骤3：激励力矩功的计算WT=πMνA1∑k 步骤4：阻尼功的计算各部件的阻尼功 部件外阻尼功的计算： 步骤5：阻尼力矩功Wc的计算(为系统各部件总阻尼功之和) Wc=Wce+Wcd+Wcp+Wcs+Wcr+ 步骤6：求第1质量振幅A1 A1= WT Wc 步骤7－11同动力放大系数法步骤6－10 强迫振动计算结果表：

6 一缸不发火的扭振计算 1）不发火气缸的平均指示压力近似为零，相应的气体简谐系数为bv；其他气缸的平均指示压力pimis为：pimis=zpi N/mm2；式中：z-气缸数,pi按前面计算公式计算。 z-1 2）相应的Cimis为：Cimis=avpimis+bv Cimis∑amis3）一缸不发火影响系数为:γ=Cνa 式中：Cv、Cvmis——分别为正常发火与一缸不发火时的简谐系数； 、分别为正常发火与一缸不发火时的相对振幅矢量和，其中aaa∑mis按下式计算：∑∑mis zz 2∑amis=(∑βkaksinνζ1,k)+(∑βkakcosνζ1,k)2 k=1k=1 不发火缸βk=bν Cvmis，其他气缸为1； 4）一缸不发火的振幅、应力和扭矩： 第1质量振幅为： 轴段应力为：A1mis=γA1 τ1misk,k+!=γτk,k+1

轴承支承长度及间距对船舶轴系振动特性影响

轴承支承长度及间距对船舶轴系振动特性影响 Deploy The Objectives, Requirements And Methods To Make The Personnel In The Organization Operate According To The Established Standards And Reach The Expected Level. 编订：___________________ 审核：___________________ 单位：___________________

文件编号：KG-A0-4761-53 轴承支承长度及间距对船舶轴系振 动特性影响 使用备注：本文档可用在日常工作场景，通过对目的、要求、方式、方法、进度等进行具体的部署，从而使得组织内人员按照既定标准、规范的要求进行操作，使日常工作或活动达到预期的水平。下载后就可自由编辑。 本文主要对轴承的支承长度以及间距对于船舶轴系 振动的特性进行相应的分析，发现在不同位置处，以及 不同的支承长度对船舶的轴系的固有振动的影响, 并且经 过计算，不同位置轴承的变化对于船舶轴系固有振动的 影响都不同。其中对于船舶轴系的振动的影响最大的是 船舶前后醍架轴承和船舶醍管轴承，并且这些轴承所工 作的环境都是十分的恶劣，在运行的过程中会发生很大 的变化。 在船舶的轴承的正常的运作中，轴承的支承的面积 是随之改变的，所以必须要对轴承的长度对于轴系振动 的影响进行相应的研究，并且要根据一些条件，来对相 应的轴系进行调整，以此来避开共振所产生的危害。主 要是对船舶的轴系的后醍架轴承和船舶艇管轴承进行相

机械设备振动特性分析

机械设备振动特性分析 佟德纯 教授 一 振动波形变换 设备的振动监测与诊断，振动波形的分析，提取表征状态信息的特征量是最常用的有效方法之一，振动波形的分析主要有两种：一是时域分析，即将振动作为时间τ(秒)的函数x(τ)来观测。二是频域分析，即按傅立叶变换方法将x(τ)变换成频率f (赫芝)的函数X(f)。这个变换关系和过程可用空间简图来表示，见图5.1。 图5.1 振动波形分析 1. 振动的时域波形特征量 (1) 均值x ：描述振动过程的静态成分，又称为直流分量，即 ?=T dt t x T x 0)(1 (5.1) 式中T —平均时间(样本长度)，以秒或毫秒计。 (2) 绝对值平均x ，即 dt t x T x T ?=0)(1 (5.2) (3) 均方值2x ：表示振动的平均能量或平均功率的指标，即 ?=T dt t x T x 022)(1 (5.3) (4) 均方根值(有效值)rms X ：描述振动的有效正振幅，即 ?=T rms dt t x T X 0 2)(1 (5.4) (5) 方差2x σ ：描述振动偏离均值散布情况，其标准差σx 表示振动的动态分量 ，即 []?-=T x dt x t x T 02 2 )(1σ (5.5) 为了进一步理解上述振动特征量的物理意义，特用模拟电路表示特征量的运算过程，具

体如图5.2所示。 图5.2 振动特征量的运算电路 3. 复杂周期振动的分解 复杂的周期振动)()(nT t x t x T +=都可用傅立叶级数的形式展开，即分解成若干个 谐波(简谐)振动之各，即 ∑∑∞=∞=++=++=1 010)cos()sin cos (2n n n n n n T t n A A t n b t n a a x θωωω (5.6) 式中 ω为角频率，T f ππω220== 0A 为直流分量，200a A = n A 为n 阶谐波的振幅，)2,1(,?????=+=n b a A n n n n θ为n 阶谐波的相角，)2,1(),(???=-n a b arctg n n n θ 由(5.6)式可知，复杂的周期振动)(t x τ是由直流分量0A 和各次谐波振动 )3,2,1(,???=n A n 所组成。这就是振动信号的频率分析，又称谐波分析，是振动监测与诊断的基本方法之一。 示例：柴油机扭振分析 柴油机是六缸四冲程星形连接，点火次序如图5.3所示。转速n=195rpm ，即基频f 0

ANSYS的船舶轴系振动校核计算案例

本文尝试对轴系元件进行简化，并进行轴系振动的校合计算。通过和以往计算方法的比较，我们认为运用ANSYS进行船舶轴系振动计算，方法简单、方便、迅速，计算结果和分布趋势是合理的，误差也在工程允许的范围以内。运用ANSYS进行船舶轴系的振动校合计算在工程上是完全适用的。 本文介绍了ANSYS的船舶轴系振动校核计算案例 摘要：本文利用大型商用有限元计算软件ANSYS，进行船舶轴系的振动校合计算。首先通过适当简化各种轴系元件，对船舶轴系部分进行几何建模，对轴系本体部分采用三维B EAM188梁单元模拟，对弹性支承的轴承部分采用COMBINE14弹簧单元模拟，对螺旋桨部分采用MASS21质量单元模拟。然后确定出轴系计算的边界条件，进行模态分析，就可以得到轴系振动的各阶固有频率和固有振型(包括横向振动、纵向振动和扭转振动)，以及模态参与因子。通过一个实际船舶轴系振动的计算，说明该方法的适用性。 关键词：船舶轴系、振动校合计算 1 概述 船舶轴系是由推力轴、中间轴、艉轴、推力轴承、滑动轴承、联轴节、螺旋桨等组成的复杂系统，在船舶运行过程中，它会发生弯曲振动现象，对船舶正常运行产生不利影响。船舶轴系振动有三种类型：由旋转轴不平衡引起的横向振动，可以是垂直方向的，也可以是水平方向的，会造成艉管密封漏水或漏油，轴承座松动，甚至破裂;由螺旋桨推力不均匀引起的纵向振动，情况严重时可以造成推力轴承敲击，曲柄箱破裂，有齿轮传动时，还会损坏齿轮;此外，从主机通过轴系传递功率至螺旋桨造成轴段来回摆动，各轴段间的扭角不相同，从而产生扭转振动，破坏的结果是轴系断裂，有齿轮传动时，会造成齿轮敲击。因此，在船舶设计过程中，有必要对船舶轴系进行振动校合计算。 对于轴系这样的复杂结构，运用有限元方法进行振动计算具有明显的优越性。本文针对上海交通大学和某造船厂共同设计开发的46000吨集装箱船，应用ANSYS有限元软件6. 0版本对其传动轴系进行振动校合计算，为进一步的设计提供参考。ANSYS是美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件，它具有结构静力分析、结构动力分析、瞬态分析、模态分析、流体动力学分析、电磁场分析等多种功能。本文即是利用ANSYS软件的模态分析功能，完成对船舶轴系这一复杂结构的建模和有限元分析。实践证明，这种方法可以有效的提高工作效率，缩短分析周期，对工程实际是非常有效的。 2 轴系计算的有限元模型 进行校合计算的46000吨集装箱船，采用的是瓦西兰公司的32缸柴油发动机组，发动机输出法兰通过齿轮箱变速后，和中间轴连接，中间轴和艉轴之间有联轴节。中间轴长3. 68m，外径0.4m，无轴承支承。艉轴长5.3m，外径0.48m，前后分别有两个轴承，前轴承宽0.48m，后轴承宽1.08m，轴承刚度由轴承说明书给出。中间轴和艉轴中都布置有润滑系统。螺旋桨是变距螺旋桨，总重14500kg。根据实际需要，只需对船舶轴系的自由振动情况进行

轴承支承长度及间距对船舶轴系振动特性影响参考文本

轴承支承长度及间距对船舶轴系振动特性影响参考 文本 In The Actual Work Production Management, In Order To Ensure The Smooth Progress Of The Process, And Consider The Relationship Between Each Link, The Specific Requirements Of Each Link To Achieve Risk Control And Planning 某某管理中心 XX年XX月

轴承支承长度及间距对船舶轴系振动特 性影响参考文本 使用指引：此安全管理资料应用在实际工作生产管理中为了保障过程顺利推进，同时考虑各个环节之间的关系，每个环节实现的具体要求而进行的风险控制与规划，并将危害降低到最小，文档经过下载可进行自定义修改，请根据实际需求进行调整与使用。 本文主要对轴承的支承长度以及间距对于船舶轴系振 动的特性进行相应的分析，发现在不同位置处，以及不同 的支承长度对船舶的轴系的固有振动的影响，并且经过计 算，不同位置轴承的变化对于船舶轴系固有振动的影响都 不同。其中对于船舶轴系的振动的影响最大的是船舶前后 艉架轴承和船舶艉管轴承，并且这些轴承所工作的环境都 是十分的恶劣，在运行的过程中会发生很大的变化。 在船舶的轴承的正常的运作中，轴承的支承的面积是 随之改变的，所以必须要对轴承的长度对于轴系振动的影 响进行相应的研究，并且要根据一些条件，来对相应的轴 系进行调整，以此来避开共振所产生的危害。主要是对船

舶的轴系的后艉架轴承和船舶艉管轴承进行相应的变化，并且要计算不同条件下的轴系的固有的频率，根据不同的轴系之间的间距变化来对分析。 传播轴系轴承数学模型及轴系动力学方程 1.1.船舶轴系轴承数学模型 船舶的轴系轴承主要是典型的液体动压径向滑动轴承，主要的方程式为：1/r2·α/αθ（h3/μ·α/αθ）+α/αθ（h3/μ·α/αz）=αβα/αθ+12（ycosθ+xsinθ） 在这个公式中，当瓦面是圆形的时候，可以利用e与e θ来表示对于速度的扰动，这是可以将以上的公式变化为：1/r2·α/αθ（h3/μ·α/αθ）+α/αθ（h3/μ·α/αz）=αβα/αθ+12（ecosθ+eφsinθ） 这时，在公式之中，可以看出油膜的厚度是h，油膜的压力则是为p，而μ则是润滑油的动力粘度，z为主要的轴向的坐标，这时，要以c为轴承的半径，以L为轴承的长

舰船轴系在工作过程中可能产生的几种振动形式

1.舰船轴系在工作过程中可能产生哪几种振动形式? 各种 振动产生的原因是什么? 各种振动形式的危害是什么? 相应的减振与避振措施有哪些? 轴系可能产生扭转振动、横向振动和纵向振动三种振动形式。扭转振动是指轴系产生的周期性的扭转变形现象；扭转振动的危害主要表现形式为轴系的疲劳断裂，特别是柴油机曲轴的疲劳断裂:曲轴、中间轴断裂，弹性联轴节连接螺栓切断，弹性元件碎裂，传动齿轮齿面点蚀和齿断裂，凸轮轴断裂，轴段局部发热等。采取的措施主要围绕： a. 减小激振能量、增加阻尼消耗能量； b. 调整自振频率； c. 划转速禁区来进行。 横向振动是由于轴系旋转件不平衡，及螺旋桨在不均匀的尾流场中工作产生的循环变化的弯曲力矩引起的周期性弯曲变形的现象；船舶推进轴系总振的消减与回避，也是从调频、配置减振器、减少输入系统的振动能量等方面考虑 纵向振动是螺旋桨在不均匀的尾流场中工作，产生不均匀的推力及主机装置产生的不均匀的轴向力，使轴系产生的周期性的拉压变形现象横振的后果表现在： a.螺旋桨轴锥形大端处产生过大的弯曲应力，严重时会出现龟裂，以致折损等重大疲劳破坏事故。

b.尾管轴承早期磨损，并导致轴衬套腐蚀，密封装置损坏等故障。 c.船尾局部振动。 解决横向振动的根本在于减少向系统的振动能量输入，即减少轴系横振激振力。 2 当船舶推进装置为柴油机时，轴系激振力有哪些? ①柴油机等效轴向激振力 由缸内气体压力和运动件惯性产生的曲柄销处法向力P N会使曲柄销发生弯曲变形，从而使主轴颈相应产生纵向位移U N。如同在曲轴中心线作用轴向力P a一样。 柴油机装置产生激振力矩 3. 当船舶推进装置为汽轮机时，轴系激振力有哪些? 汽轮机船上纵振激力主要是螺旋桨的交变推力，在柴油机船上则还有缸内气体压力和往复件的惯性力。此外扭振也可能激起纵向振动，特别是在两者固有频率相近时，称为纵扭耦合振动。 汽轮机组低频激振力 4.简述轴系强迫振动计算的能量法的三条假设。 （1）共振时系统振型与自由振动振型相同，振动时各质量同时到达最大值（位移）； （2）只有产生共振那次简谐力矩才作功； （3）干扰力矩做的功完全消耗在阻尼上。

水力发电机组轴系振动特性及其故障诊断分析

水力发电机组轴系振动特性及其故障诊断分析 发表时间：2017-09-04T17:07:37.297Z 来源：《电力设备》2017年第14期作者：赵红伟 [导读] 摘要：随着社会的全面发展，水力发电机组轴系振动特性及其故障诊断分析十分重要。其能够使得水力发电机组的体系结构得到相应的优化。 （新安江水电厂） 摘要：随着社会的全面发展，水力发电机组轴系振动特性及其故障诊断分析十分重要。其能够使得水力发电机组的体系结构得到相应的优化。本文主要针对水力发电机组轴系振动特性及其故障进行相应的分析，并提出了相应的优化措施。 关键词：水力发电机组；轴系振动；故障诊断；分析 为了能够使得水利发电的效率得到相应的提升，在进行振动体系结构的分析过程中，其需要采用多种不同的形式使得水利发电的效率得到显著性的提高。在进行具体的故障诊断过程中，其需要对轴系振动结构进行较为明确的数据分析。从而使得其故障的整体诊断效果更加显著。 一、水利发电机组轴系振动特性分析 1.1水利发电机组振动规则 为了能够使得整体的水利发电效率得到相应的提升，在进行发电机组的整体控制。在轴承的整体支持上，其同样需要对轮机的径流的变化进行主轴系统参数的变化进行分析。在推力轴距的变化上，其需要对模型进行参数性的设计。一般情况下，其机组在正常的运行过程中会发生一定的振动。可以采用有限元复模态法计算了水电机组轴系横向回转振动的自振频率及临界转速。这样，其轴承的推力在整体的运转过程中同样会发生一定变化。在主轴的方向系统上，其需要利用发电机组的轴向变化规律对系统方程进行参数的求解。这样，其整体的振动规律就能得到确定。同时应用周期变换将叶片和转子的祸合振动方程转化为常系数微分方程，分析了转速、叶片阻尼等系数对转子系统稳定性的影响。 1.2水利发电机组的振动参数计算 在进行整体的参数计算中，其首先需要明确其机组的运动状态。对于机组的各种特性变化进行体系参数的整体分析。在机组的数据处理过程中，其还要对微分运动的模拟数值进行转子质量的选取。通常，在质量参数转移的过程中，其偏心率会随着偏心重量进行参数的设计。可以取0.5-3.3mm。【1】在离心数据的处理过程中，其同样需要对系统圆盘的径向位移参数进行相应的程序改变。最终使得其机组转子的偏心质量进行相应的程序改变。从而使得转子系统得到相应的平衡，最终达到相应的减震目的。其机组偏心质量的位移结构图如下所示： 从圆盘的径向位移中我们能够十分清晰的看到，其圆盘在不同的位移参数中会得到不同层面的改变。同时，其水利发电机组在横向范围的震幅也会出现不同的变化。其圆盘1的径向位移参数会随着时间的推进而逐渐地增加。但整体的增幅并不明显，其圆盘2的径向位移参数相对较大，在0.5-3h的范围内，会有较为明显的增幅。最终使得水利发电的效率得到明显性的提高。【2】 二、水力发电机组轴系振动的故障诊断分析 2.1水利发电机组的故障分析 2.1.1机械因素 为了能够有效地提升水利发电机组的效率，在进行故障分析的过程中，其首先需要对其机械因素进行相应的考虑。在保证机组逐渐地稳定情况下，其需要对机械部分的惯性以及摩擦力进行参数的考虑。在保证其运行稳定的情况下，需要对其机械的运行进行相应的故障检验。引发水力发电机组振动的机械因素指振动中的干扰力来自机组机械部分的惯性力、摩擦力等。通常来说，当其机组的整体润滑不足时，其很容易出现一定的机械故障，从而使得水力发电机组的轴系统难以得到全面性的维护。 2.1.2电气因素 由于现代的机械化水平逐渐地提升，其轴系统在整体的运行过程中同样很容易出现轴系统故障。其主要会表现在以下几个方面： ①绕线电阻出现的短路。这样情况在电气故障中同样十分显著。其首先需要对各个绕组的参数结构进行较为明确的数据分析。目前，很多机组在整体的运行过程中都容易出现短路的情况。主要在于其机组在整体的运行过程中，其温度常常会偏高，从而使得机组中的绝缘线出现脱落或者老化，最终使得机组在电气的运行中出现较为显著的故障。 ②发电机气隙不均匀。一般情况下，其发电机的会出现不同的气隙。从整体上而言，其不同程度的气隙在不同的参数层面会发生一定的改变。这就很容易导致其内部气流发生改变，使得机组出现共振。很难还原到原本的气流状态。 2.1.3水利因素 发电机组在整体的运行中，其水利因素的影响也会较为显著。一般情况下，由于水力发电机组振动的水力因素指机组振动的干扰力来

轴承支承长度及间距对船舶轴系振动特性影响

安全管理编号：LX-FS-A85244 轴承支承长度及间距对船舶轴系振 动特性影响 In the daily work environment, plan the important work to be done in the future, and require the personnel to jointly abide by the corresponding procedures and code of conduct, so that the overall behavior or activity reaches the specified standard 编写：_________________________ 审批：_________________________ 时间：________年_____月_____日 A4打印/ 新修订/ 完整/ 内容可编辑

轴承支承长度及间距对船舶轴系振 动特性影响 使用说明：本安全管理资料适用于日常工作环境中对安全相关工作进行具有统筹性，导向性的规划，并要求相关人员共同遵守对应的办事规程与行动准则，使整体行为或活动达到或超越规定的标准。资料内容可按真实状况进行条款调整，套用时请仔细阅读。 本文主要对轴承的支承长度以及间距对于船舶轴系振动的特性进行相应的分析，发现在不同位置处，以及不同的支承长度对船舶的轴系的固有振动的影响，并且经过计算，不同位置轴承的变化对于船舶轴系固有振动的影响都不同。其中对于船舶轴系的振动的影响最大的是船舶前后艉架轴承和船舶艉管轴承，并且这些轴承所工作的环境都是十分的恶劣，在运行的过程中会发生很大的变化。 在船舶的轴承的正常的运作中，轴承的支承的面积是随之改变的，所以必须要对轴承的长度对于轴系

第四节 轴系的纵向振动

第四节轴系的纵向振动 一、轴系的纵向振动及危害 轴系在外力作用下，沿轴线方向产生的周期性变形现象，称为轴系的纵向振动。轴系纵振的激振力主要是气缸内的气体压力和往复运动部件产生的惯性力通过连杆作用在曲柄销上的径向分量和螺旋桨在不均匀伴流场中产生的周期性轴向激振力。此外，轴系的扭转振动也可能激起轴系的纵向振动，特别是在扭振固有频率与纵振固有频率相同或相近时，还会产生扭转-纵向耦合振动现象。推进轴系纵向振动的危害性主要表现在以下几个方面： （1）柴油机、传动装置和轴系的故障。如：曲轴弯曲疲劳破坏；推力轴承的松动；艉轴管的早期磨损；传动齿轮的破坏和磨损等。 （2）在推力轴承上的轴向力作用在柴油机的机体上并引起船体构件及上层建筑的附加振动。 对于中速柴油机一般不存在轴向振动，因为中速机的轴系刚度很高，其固有频率远高于激振力的频率。中国船级社要求对于大型低速柴油机推进轴系，必须提交其推进轴系的纵向振动特性并获得船级社的批准。 二、推进轴系纵向振动的消减和回避 1.推进轴系纵向振动的衡量标准 中国船级社要求持续运转的纵振振幅不得超过计算值。对于瞬时通过的允许纵振振幅值，一般不超过计算值的1.5倍。如果超过持续运转的许用值，则应设转速禁区。一般在r=0.85时由共振或上坡波产生的纵振振幅应不超过持续运转许用值，在r=1.0时由共振或下坡波产生的纵振振幅也应不超过持续运转许用值。 2. 纵向振动的消减和回避 （1）调频 系统纵振固有频率的基本方法是改变轴段的纵向刚度、集中质量及分布。改变轴系的长度或直径，可以提高或降低轴系的纵振固有频率，从而把有害纵振共振移开；在轴系纵振相对振幅较大处安装附加质量，或调整主机飞轮质量，不仅可以降低轴系纵振固有频率而且可以改变振型，从而达到避开有害纵振共振转速或减小振幅的作用。 （2）减小输入系统的激振能量 副简谐引起的有害共振和柴油机发火顺序有关。改变发火顺序，可以减小输入系统的振动能量。但这一方法对主简谐引起的纵振无效。艉部不均匀伴流场是诱导螺旋桨激振力的直接原因，改善伴流提高螺旋桨的设计水平和加工精度，

发动机曲轴扭振试验规范

目录

概述 .............................................................................................................................................. 错误!未定义书签。目录 .. (1) 1.范围 (3) 2.规范性引用文件 (3) 3.术语和定义 (3) 3.1 轴系扭振 (3) 3.2 角度编码器 (3) 3.3边界条件 (3) 3.4 额定功率点 (3) 3.5 怠速 (3) 4.试验条件 (4) 4.1发动机要求 (4) 4.2 试验设备 (4) 4.3台架布置 (4) 5.试验方法 (6) 5.1测试软件 (6) 5.2试验工况 (6) 5.3 试验记录：记录转速上升全部过程。 (6) 5.4 重复测量2次或2次以上，避免测量误差。 (6) 6.试验评价 (6) 6.1 数据处理 (6) 6.2 评价标准 (7) 7.试验流程图 (7)

1.范围 本标准规定了汽车用四冲程发动机的曲轴扭振试验方法，用来评定汽车发动机轴系的 加工质量是否满足设计要求。其主要内容包括：规范性引用文件，术语和定义，试验条 件控制，试验方法，试验评价，试验流程图和试验经验积累。 本标准适用于本公司生产的所有汽柴油发动机，凡新设计及重大改进的发动机定型 试验、转厂生产的发动机验证试验以及现生产的发动机质量检验试验等，均可按本标准 规定的方法进行。 本标准还可作为发动机制造厂和汽车制造厂之间交往的技术依据。 2.规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 1883 往复活塞式内燃机术语 GB/T 15371 曲轴轴系扭转振动的测量与评定方法 GB/T 13436 扭转振动测量仪器技术要求 GB/T 18297 发动机性能试验方法 GB 1105.1－1105.3 内燃机台架性能试验方法 3.术语和定义 3.1 轴系扭振 轴系扭振即发动机轴系的扭转振动。当轴系传递力矩时，在其各个断面上因其所受扭矩的不同而产生不同的角位移。当扭矩受到干扰，如扭矩瞬时变化、扭矩突然卸去或加载时，则轴系产生按其固有扭振频率的扭转振动。 3.2 角度编码器 用来精确测量轴系转速的仪器。 3.3边界条件 满足发动机试验所需要的参数条件控制。 3.4 额定功率点 在额定转速下的全负荷工况所输出的总功率。 3.5 怠速 怠速是指低怠速和高怠速。